BLE通讯的安全性

概述

在开发蓝牙低功耗（Bluetooth LE）应用时，对通信链路进行安全防护是最重要的需求之一。蓝牙LE协议提供了丰富的安全特性，包括身份认证（authentication）、完整性（integrity）、保密性（confidentiality）以及隐私（privacy）等。在本课中，我们将全面讲解蓝牙LE安全架构的原理和关键机制。

---

你将学习如下内容：

• 蓝牙LE安全架构的基本组成和核心概念

• 不同安全级别的作用场景

• 设备配对（Pairing）与绑定（Bonding）过程

• 实现和验证链路加密

• 如何有效管理蓝牙安全密钥

---

配对过程

保护无线通信最常用的做法就是对连接进行加密，加密会将传输中的数据转化为仅有权限的设备才能读取的形式。

要加密链路，通信双方必须拥有相同的密钥。生成、分发、认证这些加密密钥的过程叫做配对（pairing）过程。

每次需要重新加密链路时，设备都要再次执行配对过程。除了“配对”，还有一个术语叫“绑定”（bonding），指的是双方将加密密钥保存在设备中，之后再次连接可直接重用该密钥实现快速加密。在绑定过程中，双方还可以交换和存储身份密钥，以便今后通过随机可解析私有地址（RPRA）识别彼此。

---

定义

• 配对（Pairing）：指为加密目的生成、分发和认证密钥的过程。

• 绑定（Bonding）：是配对之后，将密钥用于后续重新连接加密的过程。

---

蓝牙LE将加密过程分为三个阶段。

---

阶段1：发起配对

为了发起配对，有时也包括绑定过程，中心设备需要发送配对请求（Pairing Request），外围设备回复配对响应（Pairing Response）。在这一阶段，双方设备会交换配对特征信息，用于决定第二阶段采用哪种配对方法，以及第三阶段要分发哪些密钥。

最重要的是，双方会交换各自的I/O能力（输入/输出能力），类型包括：

• DisplayOnly：仅有显示

• DisplayYesNo：有显示+选择“是/否”

• KeyboardOnly：仅有按键输入

• NoInputNoOutput：无输入输出

• KeyboardDisplay：按键+显示

除了I/O能力，还会交换支持哪些安全特性、是否请求绑定等内容。

---

注意

只有中心设备能发送配对请求。外围设备可以发送安全请求（Security Request）来触发中心发起配对请求，但这种做法并不常见。

---

阶段2：执行配对

第二阶段会生成用来加密连接的密钥。采用哪种配对方法，取决于第一阶段交换的信息。

LE传统配对（LE Legacy Pairing）下，双方交换一个临时密钥（TK），再计算生成短期密钥（STK），之后用STK加密链路。但STK容易被破解，因此蓝牙4.2提出了LE Secure Connections。LE Secure Connections中，双方生成、交换更安全的密钥，用于生成长期密钥（LTK），LTK用于链路加密。更多区别见本课的“传统配对与安全连接”。

传统配对有三种TK交换方法，称为配对方式（pairing methods）。LE Secure Connections 兼容传统三种方式，并新增一种数字比较（numeric comparison，传统方式不支持）。配对过程的安全性取决于采用哪种方式。

配对方式

• Just Works：双方以明文交换信息自动生成STK，用户只需接受，无身份认证。

• Passkey Entry：一台设备显示6位数字，另一台用户输入这串数字。I/O能力决定谁显示谁输入。

• Out of Band (OOB)：通过蓝牙以外的方式（比如NFC）交换密钥。

• Numeric Comparison（仅LE Secure Connections支持）：双方都显示6位数字，用户确认显示内容一致。

采用哪种方式，取决于OOB标志、MITM（防中间人攻击）标志和双方I/O能力，这三项都在阶段1时交换。
OOB/MITM优先决定是否直接用OOB，否则按 I/O 能力决定配对方式。
LE Secure Connections只需任一设备OOB标志置位即可。配对方式选取规则具体参见表格（略）。
本阶段生成的密钥将用于第二阶段后加密链路。如果只进行配对（不做绑定），仅需前两阶段，能跳过第三阶段。

---

阶段3：密钥分发

本阶段使用长期密钥LTK分发其它密钥。传统配对中LTK在本阶段生成，LE Secure Connections则在第二阶段生成。其它密钥用于设备下次重连识别身份、重用相同LTK快速加密。